劉世劼 趙春生 陸文斌 陳贊
摘要:汽車防撞雷達(dá)是實(shí)現(xiàn)自動(dòng)駕駛、提高車輛安全性的關(guān)鍵設(shè)備,本文介紹了一種集成了收發(fā)天線的K波段收發(fā)前端,測試收發(fā)芯片的指標(biāo),結(jié)果表明該芯片K波段輸出功率能達(dá)到8dBm以上,接收變頻增益優(yōu)于20dB。
關(guān)鍵詞:雷達(dá);前端;K波段
中圖分類號(hào):TN957.51 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A 文章編號(hào):1007-9416(2018)02-0157-01
汽車防撞雷達(dá)通過探測車輛周圍物體的距離和角度,對目標(biāo)進(jìn)行主動(dòng)識(shí)別,自動(dòng)判斷出車輛是否有發(fā)生碰撞的危險(xiǎn),提醒駕駛員進(jìn)行主動(dòng)避讓,從而減少駕駛員的注意力不集中和判斷失誤導(dǎo)致的事故。本文設(shè)計(jì)了一種基于一體化天線概念的K波段收發(fā)前端,并進(jìn)行了測試。
1 雷達(dá)工作原理
本設(shè)計(jì)應(yīng)用于調(diào)頻連續(xù)波雷達(dá),采用三角波調(diào)制,其工作原理為:雷達(dá)發(fā)射電磁信號(hào),電磁信號(hào)遇到探測物后被反射,回波信號(hào)被雷達(dá)天線接收,比較接收時(shí)刻的雷達(dá)接收信號(hào)與發(fā)射信號(hào)之間的頻差,能夠獲得探測物的距離信息。用R表示雷達(dá)相對目標(biāo)的距離,c表示光速,接收信號(hào)相對發(fā)射信號(hào)在時(shí)間上延遲△t,則:
△t=2R/c (1)
實(shí)際上時(shí)間延遲△t并不能直接得到,但發(fā)射和接收之間的頻差就容易得到,通過頻差、調(diào)頻周期和帶寬即可計(jì)算出目標(biāo)距離。計(jì)算公式如下:
R=(△f×T×c)/(4×B) (2)
式中,△f是發(fā)射信號(hào)與接收信號(hào)的頻差,T是三角波調(diào)制周期,B為發(fā)射信號(hào)的調(diào)制帶寬。
若探測目標(biāo)是運(yùn)動(dòng),則回波信號(hào)會(huì)產(chǎn)生多普勒頻移,表現(xiàn)在同一時(shí)刻接收信號(hào)和發(fā)射信號(hào)的頻差相對于探測目標(biāo)與雷達(dá)靜止時(shí)接收信號(hào)和發(fā)射信號(hào)的頻差有所變化。在調(diào)制三角波上升半周期內(nèi),中頻信號(hào)可以表示為:
f+=△f-fd (3)
在調(diào)制三角波下降半周期內(nèi),中頻信號(hào)可以表示為:
f-=△f+fd (4)
其中△f為探測物與雷達(dá)相對靜止時(shí)的中頻頻率,fd為多普勒頻移,由式(3)與式(4)可以求得多普勒頻移:
v=λ/4(f--f+) (5)
其中,λ為發(fā)射電磁波的波長。當(dāng)目標(biāo)朝雷達(dá)方向運(yùn)動(dòng)時(shí),v的符號(hào)為正;當(dāng)目標(biāo)遠(yuǎn)離雷達(dá)方向運(yùn)動(dòng)時(shí),v的符號(hào)為負(fù)。
2 收發(fā)前端方案和詳細(xì)設(shè)計(jì)
受限于汽車防撞雷達(dá)的安裝位置,要求雷達(dá)必須要做到小型化、低功耗、低成本等特點(diǎn),才能有效的推向市場。如圖1所示,收發(fā)前端有兩個(gè)接收通道和一個(gè)發(fā)射通道,接收通道將接收到信號(hào)經(jīng)過低噪放和下變頻后,輸出兩路正交信號(hào),發(fā)射通道主要由壓控振蕩器和頻率調(diào)制信號(hào)兩部分,頻率調(diào)制信號(hào)為對稱三角波線性調(diào)頻信號(hào),此信號(hào)調(diào)制到壓控振蕩器上后放大輸出。本設(shè)計(jì)包含了一個(gè)發(fā)射天線陣列和兩個(gè)接收天線陣列,這種天線布局能夠測試運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的相對角度[1],根據(jù)陣列天線綜合理論,陣列天線的規(guī)模、陣元間距[2]。
本設(shè)計(jì)的射頻芯片和陣列天線分別分布于印制板的兩面,如圖2所示,芯片一面使用的是Rogers4350B,射頻芯片下第一層介質(zhì)厚度為10mil,天線一面使用的是TACONIC板材。兩路接收通道通過金屬過孔與背面的接收陣列天線1、2連接,一路發(fā)射通道亦是通過金屬過孔與背面的發(fā)射陣列天線連接,過孔的孔徑需在HFSS中精確仿真后確定,否則信號(hào)的不連續(xù)性會(huì)惡化駐波系數(shù),從而降低天線的輻射功率。電源、中頻輸出和芯片的控制數(shù)據(jù)匯集于印制板左邊的JTAG口。下端預(yù)留了一路發(fā)射監(jiān)測信號(hào),可以用于監(jiān)測芯片是否工作正常。
接收發(fā)射端口需嚴(yán)格按照阻抗匹配設(shè)置走線寬度,以發(fā)射差分輸出端口為例,發(fā)射端特性阻抗為20.8-j20.2Ω,需根據(jù)共軛匹配原理,使輸出能量最大地傳遞要負(fù)載上。在ADS軟件中借助Smith圓圖工具匹配,自動(dòng)計(jì)算出集總電感、電容值,再轉(zhuǎn)化為對應(yīng)的微帶線寬即可。PCB板布線如圖3所示,中間段粗線為1.6mm×1.15mm。
3 測試結(jié)果
對收發(fā)芯片功能進(jìn)行測試,芯片工作電流大約210mA,發(fā)射通道的最大功率輸出能達(dá)到8dBm以上,當(dāng)壓控電壓維持在1.15V時(shí),壓控振蕩器輸出頻率在24.25GHz,輸出頻率隨壓控電壓線性改變。用射頻信號(hào)源替代回波信號(hào)輸入給接收通道,測試中頻增益優(yōu)于20dB。
4 結(jié)語
本設(shè)計(jì)驗(yàn)證了基于一體化天線的K波段收發(fā)前端的可行性,得到了相關(guān)功能芯片的準(zhǔn)確測試數(shù)據(jù)。雷達(dá)采用了調(diào)頻三角連續(xù)波體制,通過軟件上的微調(diào)控制D/A的輸出以保證輸出頻率的線性度。將收發(fā)通道與微帶陣列天線集成,大大減小了雷達(dá)前端的體積,較相控陣天線中TR組件與天線的盲插連接,能有效降低生產(chǎn)成本。
參考文獻(xiàn)
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